本文作者：張剛 單位：南陽防爆電氣研究所

煤礦井下本質安全設備的關聯設備一般都處于危險環境中，須另外采用附加防爆型式對其進行保護，例如將其置于隔爆外殼中。由隔爆外殼保護的關聯設備除了應符合本質安全型相關要求外，還應同時符合隔爆型要求。ＧＢ　３８３６．１８按系統獲得防爆合格認證情況將本質安全電氣系統分為“已獲證的本質安全電氣系統”和“未獲證的本質安全電氣系統”兩類。這種概念及分類對煤礦井下本質安全電氣系統同樣適用。

煤礦井下爆炸性環境的特殊性

相對于地面，煤礦井下環境惡劣，空氣潮濕，空間、光線受限，設備維護困難。井下開采過程中被釋放出來的與煤天然共存的瓦斯或煤塵與空氣混合后在井下采區或巷道形成具有爆炸危險性的瓦斯－空氣混合物或煤塵－空氣混合物。雖然煤礦行業十分重視持續有效的井下通風，但由于存在通風故障、瓦斯突出、產煤量增大引起的瓦斯釋放增大等難以預料的問題，可能引起瓦斯濃度超標，從而帶來危險。受井下空間環境限制，一旦發生爆炸很容易造成災難。因此，煤礦井下需要更為嚴格的安全要求，禁止在井下瓦斯爆炸極限范圍內進行開采。針對煤礦井下瓦斯環境的具體情況，歐洲將井下危險環境條件分為“１級危險環境條件”和“２級危險環境條件”。當井下空氣環境中的甲烷濃度在ＬＥＬ（爆炸下限）～ＵＥＬ（爆炸上限）范圍內時屬于“１級危險環境條件”，這種條件下的井下環境屬于危險的爆炸性環境；當井下空氣環境中的甲烷濃度在０％～ＬＥＬ范圍或ＵＥＬ～１００％范圍時，屬于“２級危險環境條件”，這種條件下的井下環境屬于具有潛在危險的爆炸性環境。目前這一思想也正被ＩＥＣ和我國相關機構所接受。《煤礦安全規程》規定，采區回風巷、采掘工作面回風巷風流中瓦斯濃度超過１．０％時，必須停止工作，撤出人員，采取措施，進行處理。此時應認為巷道環境由“２級危險環境條件”進入了“１級危險環境條件”。根據ＧＢ　３８３６．１和ＧＢ　２５２８５．２關于設備保護級別／水平（ＥＰＬ）的思想，只有ＥＰＬ　Ｍａ級設備可繼續帶電工作，其它設備必須停電。《煤礦安全規程》還嚴格規定了甲烷傳感器報警濃度、斷電濃度、復電濃度、斷電范圍等。因此，煤礦井下爆炸性危險作業場所的特殊性決定了其分類不同于地面爆炸性環境中危險“區”域的分類。煤礦井下本質安全電氣系統的設計和應用也應根據這種思想考慮其特定的危險環境條件和對應的合適ＥＰＬ。

煤礦井下本質安全電氣系統的設計

任何擬定的本質安全系統都應在明確設計目標后，根據電氣系統具體的連接關系來確定系統的整體構成（包括互連導線及簡單設備）。僅由電池供電的一體便攜式本質安全設備（如干電池供電的ＬＥＤ本質安全手電筒，無關聯設備）是最簡單的本質安全系統。圖１中的典型本質安全電氣系統由本質安全關聯設備、本質安全設備（包含簡單設備ＲＴＤ）及其之間的連接導線或電纜構成。

為了便于分析和確認電氣系統所達到的本質安全等級，在明確了電氣系統的構成之后，可參照ＧＢ３８３６．１８第４制定系統描述文件，采用圖紙、清單、使用維護手冊或類似的文件方式來規定確保安全所需的信息，如規定電氣設備的有關項目、包括互連布線的系統電氣參數等。制訂系統描述文件的系統設計師應能代表其機構或雇主承擔責任且具備相應的技術能力。實際上，對系統使用功能的兼容分析也很重要，它決定著各設備組合后系統能否正常運行，但這不是本文論述的重點。

一般情況下，簡單設備不需要認證便可使用，但當簡單設備用于本質安全電氣系統時必須對其安全性進行確認。國際上，對于簡單設備的認定大多是根據制造商提供的指標，若設備中任何器件的參數都不超過１．２Ｖ、０．１Ａ、２０μＪ、２５ｍＷ即可視為簡單設備，如開關、熱電偶、ＲＴＤ、ＬＥＤ、部分ＳＰＤ等。在北美，對簡單設備的定義更為簡練和限定：非儲能且不產生電壓的設備。雖然簡單設備用于本質安全回路時無需認證且不影響其安全性，但適用時，外殼材質、ＩＰ等級、端子或接線等本質安全設備所需的共性要求還應符合ＧＢ　３８３６．１和ＧＢ　３８３６．４的相關規定。對于符合ＧＢ　３８３６．４中５．７簡單設備要求的開關、端子、接線盒、插頭、插座等無源器件，無需改動系統安全評價便可增加到系統中；對于純電阻、簡單半導體等無源元件簡單設備，還需要考慮熱效應評定或試驗。如果系統增加符合ＧＢ　３８３６．４要求的單個電容或電感儲能元件，則進行安全評定時要考慮它們的電氣參數及其可能產生的熱效應，同時應有清晰的標志。如果電感是鐵芯電感，則不能看作是簡單設備，必須通過試驗來確定。如果簡單設備計劃含有多個獨立的本質安全電路，例如連接件、插頭和插座，則應按ＧＢ　３８３６．４的要求進行可靠隔離，否則安全評定時只能按這些電路可能造成混觸故障來分析。簡單設備的確認證明應作為系統描述文件的內容之一。有時用戶需要對簡單設備進行第三方認證確認，主要是因為用戶需要這樣的文件作為附加保險措施。對系統進行本質安全檢驗或評定時也要對簡單設備進行認定，因為它是本質安全電路的一部分。根據我國煤礦的具體情況，將礦用本質安全簡單設備作為含有其它電路的設備部件時，對整機的鑒定顯得很有必要。系統設計師除了考慮以上技術內容外，還應在可能的情況下，把包括內部參數在內的信息清晰標示出來，在系統框圖中也要詳細說明。

可用于井下瓦斯環境的本質安全電氣系統內的電氣設備類別為Ｉ類，允許的最高表面溫度應不超過１５０℃（當其表面可能堆積煤塵時）或４５０℃（當其表面不可能堆積煤塵時）。環境溫度影響設備或元件的溫升。當本質安全系統部分或整體運行溫度超出－２０～＋４０℃的正常工作環境溫度時，應在系統描述文件中說明。符合ＧＢ　３８３６．４的本質安全設備適應的環境溫度范圍為－２０～＋６０℃，當設備周圍環境溫度超過＋６０℃時，最小點燃電流將降低（當溫度從２０℃上升到２００℃時，點燃能量可能會下降２０％～３０％），此時ＧＢ　３８３６．４標準已不再適用，建議參考ＩＥＣ６００７９－３３。

用于煤礦井下的本質安全電氣系統的整體本質安全等級不一定為同一個等級。也就是說，系統的每一個組成部分的本質安全等級可為“ｉａ”等級，也可以為“ｉｂ”等級。當然，系統的每一組成部分均為“ｉａ”等級或均為“ｉｂ”等級也是允許的，這取決于系統設計師對系統ＥＰＬ設計的需要。如果本質安全電氣系統或者系統的一部分滿足“ｉａ”等級設備的要求，則該系統或系統的該部分就為“ｉａ”等級；同理，如果本質安全電氣系統或系統的一部分滿足“ｉｂ”等級設備的要求，則該系統或系統的該部分就為“ｉｂ”等級。當系統某一部分滿足一個等級，而另一部分滿足另一個等級時，應具體分析系統的整體情況。例如某電氣監控系統包含一臺由“ｉａ”等級關聯設備供電的井下“ｉｂ”等級本質安全瓦斯探測儀，系統正常運行時的本質安全防爆等級應屬于“ｉｂ”等級（即ＥＰＬ　Ｍｂ），按照《煤礦安全規程》要求，當井下出現瓦斯超限情況、需要停止關聯設備供電并同時啟動探測儀內部備用電池供電后，該系統中的本質安全瓦斯監控儀可設計達到“ｉａ”等級（即ＥＰＬ　Ｍａ）；如果一臺儀表防爆標志為“ｉｂ”等級，該儀表還可以連接一臺“ｉａ”等級的傳感器（如光纖），那么該種系統設計也是允許的。至于“ｉｃ”等級的本質安全電氣系統，它類似于煤礦井下的礦用一般型電氣系統，不建議在煤礦井下使用。